WO2010049064A1 - Method and device for applying or embedding particles to/in a layer applied by plasma coating - Google Patents

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WO2010049064A1
WO2010049064A1 PCT/EP2009/007384 EP2009007384W WO2010049064A1 WO 2010049064 A1 WO2010049064 A1 WO 2010049064A1 EP 2009007384 W EP2009007384 W EP 2009007384W WO 2010049064 A1 WO2010049064 A1 WO 2010049064A1
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Uwe Beck
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Bam
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing this method.
  • any externally generated or modified particles are introduced spatially distributed into the plasma chamber between the target and the substrate via at least one pressure step from the outside into the vacuum chamber of the magnetron or plasma, the particles are not directed by a spatially concentrated source, but instead can be homogeneously distributed homogeneously distributed in the plasma space and thus also distributed homogeneously distributed on the substrate, be.
  • the particles are preferably introduced into the plasma space between the target and the substrate using a purge gas such as argon or nitrogen from the outside, ie the non-vacuum side of the magnetron or the plasma cartridge.
  • the feeding takes place through small holes or nozzles which are distributed in a line-shaped or flat manner in such a way that the introduction is as homogeneously distributed as possible.
  • the feed preferably takes place in a target region in which the target is not or only slightly removed, ie outside the primary target erosion zone.
  • the particles are exposed to the electric field of the plasma space or to a static or dynamic see alternating electric field exposed.
  • electrical surface charges are formed on the particles, for example by an electron shower, static electricity or the like.
  • these charged particles have a significantly lower tendency to agglomerate than uncharged particles and, on the other hand, because they are electrically negatively charged, can be accelerated away from the target (negative potential) towards the substrate (positive potential) by the electric field.
  • the particles can with non-conductive coatings, if necessary, the plasma resistance of the particles ensure such.
  • SiO 2 As those of SiO 2 , provided.
  • externally produced nanoparticles or microparticles in the form of powders or fine granules can be introduced into the vacuum chamber of a magnetron or plasmatron via at least one pressure stage or optionally using a charge transfer unit, preferably in the area outside the target erosion zone as charged or uncharged species and emitted from this into the plasma space between the target and the substrate and applied finely distributed to the substrate.
  • This can be done either during, before or after a plasma coating operation, ie both in the presence and absence of a plasma.
  • the particles can thus be embedded in the matrix of the plasma-coated material or a own layer under or over the matrix form. Even layers between individual matrix layers are possible.
  • the particle injection typically takes place only briefly in the form of a single pulse or a sequence of pulses.
  • the layer properties can be influenced in many ways.
  • the range of application extends from marker particles to functional particles such as dry lubrication, color pigments, reservoir formation, topographic function, fluorescence and the like.
  • FIG. 1 shows a plasma coating system in schematic cross-sectional representation
  • FIG. 2 shows the underside of the target shown in FIG. 1.
  • a substrate 2 to be coated and a surface 3 to be coated are located opposite one another.
  • the target 3 is provided with a magnetron or plasmatron 4 for generating the plasma 5 between subcrudes. strat 2 and target 3 needed energy connected.
  • a process pressure of typically 10 -3 mbar is maintained in the vacuum process chamber 2.
  • Argon which forms the process plasma 5 together with a reaction gas for the application of the coating, is preferably used for this purpose.
  • This plasma coating system known in this respect is supplemented according to the invention by a special device for introducing particles into the vacuum process chamber 1.
  • This device consists essentially of a reservoir 6 for the particles, a transport tube 7 for the transport of the particles from the reservoir 6, a connected to this manifold system of a plurality of parallel tubes 8, by the magnetron or
  • Plasmatron 4 and the target 3 are passed and each open in a nozzle 9 on the underside of the target 3, at least two piezoelectrically actuated valves 10, which are arranged in the course of the transport tube 7 in a row, and optionally a non-illustrated charge transfer unit, which may be provided at a suitable location in the path of the particles between the reservoir 6 and the entry of the tubes 8 into the magnetron or plasma 4.
  • the valves 10 are used to maintain the pressure difference between the reservoir 6, the interior of which is preferably maintained at atmospheric pressure, and the vacuum processing chamber 1. To increase the reliability of more than two such valves can be used.
  • the particles can be dispersed in the storage container as powder or dust, in liquids or vapors or in the form of aerosols. They may be in an electrically charged or uncharged state.
  • valves 10 are controlled so that the particles by the pressure difference in a transport medium intermittently from the reservoir 6 in the
  • Vacuum process chamber 1 or the process plasma 5 inj be graced. They exit in diverging jets 11 from the respective nozzles 9. They distribute themselves uniformly in the space between the substrate 2 and the target 3 and are deposited on the substrate 2. This process is accelerated when the particles are negatively charged, since they are then attracted to the opposite to the target 3 at a positive potential substrate 2.
  • a purge gas is preferably used an optionally ionized noble gas such as argon or an optionally ionized reaction gas such as oxygen, nitrogen or an alkane, alkene or Elkin.
  • the feeding of the particles to the vacuum process chamber 1 can also take place when no plasma 5 is formed in this. This can be done before or after the plasma coating process, so that it is possible to embed the particles not only during the plasma coating process in the forming layer, but also to produce a self-contained particle layer under and / or on this layer. In the example illustrated in FIG. 1, the particles 12 are embedded in the applied layer 13.
  • Fig. 2 shows the bottom view of the target 3.
  • the nozzles 9 are arranged at equal mutual distances along the longitudinal center axis of the target surface. They are located in an area 14 of this area in which the target material is not or only slightly removed. In contrast, in an oval region 15 ("raise track") surrounding the region 14, there is a high removal of material by bombardment of positive ions from the process plasma 5. In turn, material removal is minimal in an edge region 16 of the target surface.
  • the illustrated arrangement of the nozzles 9 prevents them from being damaged or destroyed by the ion bombardment and still allows the particles to spread uniformly in the plasma.
  • the particles are charged or introduced electrically neutral in the plasma. If the particles in the storage container 6 do not already have the desired state of charge, they must, on their way into the vacuum processing chamber 1, be replaced by the charge transfer unit, e.g. an electron shower to be placed in these. If the particles are made of metal, then at least when they are to carry a certain charge, they must first be provided with an insulating coating.
  • the charge transfer unit e.g. an electron shower to be placed in these.
  • the particles are made of metal, then at least when they are to carry a certain charge, they must first be provided with an insulating coating.

Abstract

A method is described for applying or embedding nanoparticles or microparticles of any substance in a defined manner to/in a layer (13) to be applied to a substrate surface by plasma coating before, during or after the plasma coating operation in a magnetron or plasmatron (4). The particles are introduced from the outside into the vacuum chamber (1) of the magnetron or plasmatron via at least one pressure stage (10), the particles being spatially distributed in the plasma space (5) between the target (3) and the substrate (2). The particles in the plasma space are preferably exposed to an electric field generating a movement of the particles toward the substrate. It is advantageous for this purpose if the particles are electrically charged before being introduced into the plasma space.

Description

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM Federal Institute for Materials Research and Testing
Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen oderMethod and device for applying or
Einbetten von Partikeln auf oder in eine durchEmbedding particles on or in through
Plasmabeschichtung aufgebrachte SchichtPlasma coating applied layer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing this method.
Bei elektrochemisch abgeschiedenen Schichten (z. B. Ni-Dispersionsschichten) ist schon seit längerem die Einbringung von Fremdpartikeln zur Erzielung gewünschter Eigenschaften bekannt . Auch für Lacke oder Sol-Gel-Schichten, die ebenfalls aus der flüssigen Phase abgeschieden werden, sind Partikeleinbettungen für ad-on- Eigenschaften oder Änderungen der Oberflächentopographie bekannt. Bestimmte Beschichtungs- techniken aus der flüssigen Phase (SAMs oder self- assembling monolayers) und LBL (layer-by-layer) - Techniken sind ebenfalls geeignet, partikuläre Ober- flächenschichten zu erzeugen. Für vakuumgestützte Plasmabeschichtungsverfahren gibt es derzeit jedoch keine kommerziellen Lösungen. Prinzipiell ist man mit Assist-Quellen, die sich außer- halb des Magnetrons oder Plasmatrons befinden, wie z. B. Hohlkathodenquellen oder Plasmajets, in der Lage, Partikel zu erzeugen und diese auch in Schichten einzubringen. Beide Quellen, d. h. die eigentliche Be- schichtungsquelle, die die Schichtmatrix erzeugt, und die Assist-Quelle, müssen dann gleichzeitig auf das Substrat gerichtet sein, was zu geometrischen und plasmakorrelierten Problemen führt. Daher wurde eine derartige Beschichtung bisher nur in Versuchsanlagen erprobt, mit dem Ergebnis, dass Inhomogenitäten der modifizierten Schichten nicht zu vermeiden waren. Außerdem sind mit solchen Assist-Quellen nicht beliebige Partikel einbringbar, sondern nur solche, die sputterfähig, arcfähig oder plasmaj etfähig sind. Unter Partikeln sind hierbei nur Cluster von Materia- lien oder Materialmischungen zu verstehen. Insgesamt führt die Kombination zweier Quellen jedoch nicht nur aus geometrischen, sondern auch aus elektrotechnisch- plasmatechnischen sowie steuerungstechnischen Gründen zu schwerwiegenden Problemen bei der praktischen Durchführung. Auch der Raumbedarf sowie die Kosten einer derartigen Beschichtungsanlage sind erheblich.In the case of electrochemically deposited layers (eg Ni dispersion layers), the introduction of foreign particles for obtaining desired properties has been known for some time. For coatings or sol-gel layers, which are also deposited from the liquid phase, particle embedding for ad-on properties or changes in the surface topography are known. Certain coating techniques from the liquid phase (SAMs or self-assembling monolayers) and LBL (layer-by-layer) techniques are also suitable for producing particulate surface layers. For vacuum-assisted plasma coating processes, however, there are currently no commercial solutions. In principle one is with Assist sources, which are outside of the magnetron or Plasmatrons, such. As hollow cathode sources or Plasmajets, able to produce particles and to introduce these in layers. Both sources, ie the actual coating source that generates the layer matrix and the assist source, must then be simultaneously directed to the substrate, which leads to geometric and plasma-related problems. Therefore, such a coating has so far only been tested in experimental plants, with the result that inhomogeneities of the modified layers could not be avoided. In addition, with such Assist sources not any particles can be introduced, but only those that are sputterable, arcfähig or plasmaj etfähig. Particles are understood to mean only clusters of materials or mixtures of materials. Overall, the combination of two sources, however, not only for geometric, but also for electrotechnical - plasma technology and control technology reasons to serious problems in the practical implementation. Also, the space requirements and the cost of such a coating system are significant.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum definierten Aufbringen oder Ein- betten von Nano- oder Mikropartikeln mindestens einer beliebigen Substanz auf oder in eine durch Plasma- beschichtung auf eine Substratfläche aufzubringende Schicht vor dem, während des oder nach dem Plasma- beschichtungsvorgang in einem Magnetron oder Plas- matron anzugeben, das mit vergleichsweise geringemIt is therefore the object of the present invention to provide a method for the defined application or embedding of nano- or microparticles of at least one arbitrary substance on or in a layer to be applied by plasma coating on a substrate surface before, during or after the plasma treatment. coating process in a magnetron or plasmatron, with comparatively low
Aufwand eine weitgehend homogene Verteilung der Par- tikel auf oder in der Schichtmatrix ermöglicht, so dass die gewünschten Schichteigenschaften erhalten werden können. Hinsichtlich der Art der verwendeten Partikel sollen möglichst geringe Beschränkungen be- stehen.Expenditure, a largely homogeneous distribution of the allows particles on or in the layer matrix, so that the desired layer properties can be obtained. With regard to the type of particles used, restrictions should be as small as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sowie ei- ne Vorrichtung zu dessen Durchführung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous developments of this method and a device for its implementation will become apparent from the dependent claims.
Dadurch, dass beliebige extern erzeugte oder modifizierte Partikel über mindestens eine Druckstufe von außen in die Vakuumkammer des Magnetrons oder Plas- matrons räumlich verteilt in den Plasmaraum zwischen Target und Substrat eingebracht werden, werden die Partikel nicht von einer räumlich konzentrierten Quelle gerichtet zugeführt, sondern sie können räum- lieh homogen verteilt in den Plasmaraum eingebracht und somit auch homogen verteilt auf dem Substrat abgeschieden, werden.Because any externally generated or modified particles are introduced spatially distributed into the plasma chamber between the target and the substrate via at least one pressure step from the outside into the vacuum chamber of the magnetron or plasma, the particles are not directed by a spatially concentrated source, but instead can be homogeneously distributed homogeneously distributed in the plasma space and thus also distributed homogeneously distributed on the substrate, be.
Die Partikel werden vorzugsweise unter Verwendung ei- nes Spülgases wie Argon oder Stickstoff von außen, d. h. der Nichtvakuumseite des Magnetrons oder Plas- matrons, in den Plasmaraum zwischen dem Target und dem Substrat eingebracht. Die Zuführung erfolgt durch kleine Löcher oder Düsen, die linienförmig oder flä- chig so verteilt sind, dass sich eine möglichst homogen verteilte Einbringung ergibt. Dabei erfolgt die Zuführung bevorzugt in einem Targetbereich, in welchem das Target nicht oder wenig abgetragen wird, d. h. außerhalb der primären Targeterosionszone. In dem Plasmaraum sind die Partikel dem elektrischen Feld des Plasmaraums oder einem statischen oder dynami- sehen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt. Durch eine der Druckstufe folgende Ladungsübertragungseinheit werden elektrische Oberflächenladungen beispielsweise durch eine Elektronendusche, Reibungselektrizität o- der dergleichen auf den Partikeln gebildet. Diese so aufgeladenen Partikel haben einerseits eine deutlich geringere Tendenz zur Agglomeration als ungeladene Partikel und können andererseits, weil sie elektrisch negativ aufgeladen sind, durch das elektrische Feld vom Target (negatives Potential) weg zum Substrat (positives Potential) hin beschleunigt werden. Für Partikelmaterialien wie Metalle, die selbst leitfähig sind und sich nicht oder nur schwer aufladen lassen, können die Partikel mit nichtleitenden Überzügen, die ggf- auch die Plasmabeständigkeit der Partikel sicherstellen, wie z. B. solchen aus SiO2, versehen werden. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, bereits geladene Partikel durch die Ladungsübertragungseinheit elektrisch zu neutralisieren und in un- geladenem Zustand in die Vakuumkammer einzubringen.The particles are preferably introduced into the plasma space between the target and the substrate using a purge gas such as argon or nitrogen from the outside, ie the non-vacuum side of the magnetron or the plasma cartridge. The feeding takes place through small holes or nozzles which are distributed in a line-shaped or flat manner in such a way that the introduction is as homogeneously distributed as possible. The feed preferably takes place in a target region in which the target is not or only slightly removed, ie outside the primary target erosion zone. In the plasma chamber, the particles are exposed to the electric field of the plasma space or to a static or dynamic see alternating electric field exposed. By a charge transfer unit following the compression stage, electrical surface charges are formed on the particles, for example by an electron shower, static electricity or the like. On the one hand, these charged particles have a significantly lower tendency to agglomerate than uncharged particles and, on the other hand, because they are electrically negatively charged, can be accelerated away from the target (negative potential) towards the substrate (positive potential) by the electric field. For particulate materials such as metals, which are themselves conductive and can not be charged or difficult to charge, the particles can with non-conductive coatings, if necessary, the plasma resistance of the particles ensure such. As those of SiO 2 , provided. On the other hand, it is also possible to electrically neutralize already charged particles by the charge transfer unit and to introduce them into the vacuum chamber in the uncharged state.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit extern erzeugte Nano- oder Mikropartikel in Form von Pulvern oder Feingranulaten über zumindest eine Druckstufe oder ggf. unter Anwendung einer Ladungsübertragungseinheit vorzugsweise in den Bereich außerhalb der Targeterosionszone als geladene oder ungeladene Spezies in die Vakuumkammer eines Magnetrons oder Plasmatrons eingebracht werden und aus diesem in den Plasmaraum zwischen Target und Substrat emittiert und fein verteilt auf das Substrat aufgebracht werden. Dies kann entweder während, vor oder nach einem Plasmabeschichtungsvorgang erfolgen, d. h. sowohl in Anwesenheit als auch in Abwesenheit eines Plasmas. Die Partikel können somit in die Matrix des plasmabeschichteten Materials eingebettet sein oder eine eigene Schicht unter oder über der Matrix bilden. Auch Schichten zwischen einzelnen Matrixschichten sind möglich. Die Partikelinjektion erfolgt dabei typischerweise nur kurzzeitig in Form eines Einzelim- pulses oder einer Abfolge von Impulsen.Thus, by virtue of the method according to the invention, externally produced nanoparticles or microparticles in the form of powders or fine granules can be introduced into the vacuum chamber of a magnetron or plasmatron via at least one pressure stage or optionally using a charge transfer unit, preferably in the area outside the target erosion zone as charged or uncharged species and emitted from this into the plasma space between the target and the substrate and applied finely distributed to the substrate. This can be done either during, before or after a plasma coating operation, ie both in the presence and absence of a plasma. The particles can thus be embedded in the matrix of the plasma-coated material or a own layer under or over the matrix form. Even layers between individual matrix layers are possible. The particle injection typically takes place only briefly in the form of a single pulse or a sequence of pulses.
Durch die zugeführten Partikel können die Schichteigenschaften in vielfältiger Weise beeinflusst werden. Die Anwendungsbreite reicht von Marker- Partikeln bis hin zu Funktionspartikeln wie Trockenschmierung, Farbpigmenten, Reservoirbildung, topographische Funktion, Fluoreszenz und dergleichen.By the supplied particles, the layer properties can be influenced in many ways. The range of application extends from marker particles to functional particles such as dry lubrication, color pigments, reservoir formation, topographic function, fluorescence and the like.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in FIGS. Show it:
Fig. 1 eine Plasmabeschichtungsanlage in Schema- tischer Querschnittsdarstellung, und1 shows a plasma coating system in schematic cross-sectional representation, and
Fig. 2 die Unterseite des in Fig. 1 gezeigten Targets .2 shows the underside of the target shown in FIG. 1.
In einer Vakuumprozesskammer 1 befinden sich ein zu beschichtendes Substrat 2 sowie dessen zu beschichtender Oberfläche gegenüberliegend ein Target 3. Auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite ist das Target 3 mit einem Magnetron oder Plasmatron 4 zur Erzeugung der für die Ausbildung eines Plasmas 5 zwischen Sub- strat 2 und Target 3 benötigten Energie verbunden.In a vacuum process chamber 1, a substrate 2 to be coated and a surface 3 to be coated are located opposite one another. On the side facing away from the substrate 2, the target 3 is provided with a magnetron or plasmatron 4 for generating the plasma 5 between subcrudes. strat 2 and target 3 needed energy connected.
In der Vakuumprozesskammer 2 wird ein Prozessdruck von typischerweise 10"3 mbar aufrechterhalten. Hierfür wird vorzugsweise Argon verwendet, das zusammen mit einem Reaktionsgas für die Aufbringung der Be- schichtung das Prozessplasma 5 bildet . Diese insoweit bekannte Plasmabeschichtungsanlage wird erfindungsgemäß durch eine spezielle Vorrichtung zum Einbringen von Partikeln in die Vakuumprozesskam- mer 1 ergänzt. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Vorratsbehälter 6 für die Partikel, einem Transportrohr 7 für die Beförderung der Partikel aus dem Vorratsbehälter 6, einem an dieses angeschlossene Rohrverzweigungssystem aus einer Vielzahl paralleler Rohre 8, die durch das Magnetron oderA process pressure of typically 10 -3 mbar is maintained in the vacuum process chamber 2. Argon, which forms the process plasma 5 together with a reaction gas for the application of the coating, is preferably used for this purpose. This plasma coating system known in this respect is supplemented according to the invention by a special device for introducing particles into the vacuum process chamber 1. This device consists essentially of a reservoir 6 for the particles, a transport tube 7 for the transport of the particles from the reservoir 6, a connected to this manifold system of a plurality of parallel tubes 8, by the magnetron or
Plasmatron 4 und das Target 3 hindurchgeführt sind und jeweils in einer Düse 9 auf der Unterseite des Targets 3 münden, mindestens zwei piezoelektrisch betätigbaren Ventilen 10, die im Verlauf des Transport- rohres 7 hintereinander angeordnet sind, sowie gegebenenfalls einer nicht dargestellten Ladungsübertra- gungseinheit , die an einer geeigneten Stelle in dem Weg der Partikel zwischen dem Vorratsbehälter 6 und dem Eintritt der Rohre 8 in das Magnetron oder Plas- matron 4 vorgesehen sein kann.Plasmatron 4 and the target 3 are passed and each open in a nozzle 9 on the underside of the target 3, at least two piezoelectrically actuated valves 10, which are arranged in the course of the transport tube 7 in a row, and optionally a non-illustrated charge transfer unit, which may be provided at a suitable location in the path of the particles between the reservoir 6 and the entry of the tubes 8 into the magnetron or plasma 4.
Die Ventile 10 dienen zur Aufrechterhaltung des Druckunterschieds zwischen dem Vorratsbehälter 6, dessen Inneres vorzugsweise auf Atmosphärendruck gehalten wird, und der Vakuumprozesskammer 1. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit können auch mehr als zwei derartige Ventile verwendet werden. Die Partikel können im Vorratsbehälter als Pulver bzw. Staub, in Flüssigkeiten oder Dämpfen dispergiert oder in Form von Aerosolen aufgenommen sein. Sie können in elektrisch geladenem oder ungeladenem Zustand vorliegen.The valves 10 are used to maintain the pressure difference between the reservoir 6, the interior of which is preferably maintained at atmospheric pressure, and the vacuum processing chamber 1. To increase the reliability of more than two such valves can be used. The particles can be dispersed in the storage container as powder or dust, in liquids or vapors or in the form of aerosols. They may be in an electrically charged or uncharged state.
Die Ventile 10 werden so gesteuert, dass die Partikel durch den Druckunterschied in einem Transportmedium jeweils stoßweise aus dem Vorratsbehälter 6 in dieThe valves 10 are controlled so that the particles by the pressure difference in a transport medium intermittently from the reservoir 6 in the
Vakuumprozesskammer 1 bzw. das Prozessplasma 5 inji- ziert werden. Sie treten in divergierenden Strahlen 11 aus den jeweiligen Düsen 9 aus. Dabei verteilen sie sich gleichmäßig im Raum zwischen dem Substrat 2 und dem Target 3 und werden auf dem Substrat 2 abge- schieden. Dieser Vorgang wird beschleunigt, wenn die Partikel negativ geladen sind, da sie dann von dem gegenüber dem Target 3 auf positivem Potential liegenden Substrat 2 angezogen werden.Vacuum process chamber 1 or the process plasma 5 inj be graced. They exit in diverging jets 11 from the respective nozzles 9. They distribute themselves uniformly in the space between the substrate 2 and the target 3 and are deposited on the substrate 2. This process is accelerated when the particles are negatively charged, since they are then attracted to the opposite to the target 3 at a positive potential substrate 2.
Als Transportmedium wird vorzugsweise ein Spülgas ein gegebenenfalls ionisiertes Edelgas wie Argon oder ein gegebenenfalls ionisiertes Reaktionsgas wie Sauerstoff, Stickstoff oder ein Alkan, Alken oder Elkin verwendet .As the transport medium, a purge gas is preferably used an optionally ionized noble gas such as argon or an optionally ionized reaction gas such as oxygen, nitrogen or an alkane, alkene or Elkin.
Die Zuführung der Partikel zu der Vakuumprozesskammer 1 kann auch dann erfolgen, wenn kein Plasma 5 in dieser gebildet ist. Dies kann vor oder nach dem Plasma- beschichtungsvorgang erfolgen, so dass es möglich ist, die Partikel nicht nur während des Plasmabe- schichtungsvorgangs in die sich bildende Schicht einzubetten, sondern auch eine eigenständige Partikel - schicht unter und/oder auf dieser Schicht zu erzeugen. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind die Partikel 12 in die aufgebrachte Schicht 13 eingebettet.The feeding of the particles to the vacuum process chamber 1 can also take place when no plasma 5 is formed in this. This can be done before or after the plasma coating process, so that it is possible to embed the particles not only during the plasma coating process in the forming layer, but also to produce a self-contained particle layer under and / or on this layer. In the example illustrated in FIG. 1, the particles 12 are embedded in the applied layer 13.
Zur Bildung der Schicht 13 wird Material des Targets 3 durch Einwirkung des Prozessplasmas 5 abgetragen und reagiert mit dem im Plasma 5 vorhandenen Reaktivgas, wodurch eine Verbindung entsteht, die sich auf dem Substrat 2 als die Schicht 13 niederschlägt. Über die Düsen 9 in das Plasma 5 eingebrachte Partikel werden ebenfalls abgeschieden, so dass diese gleich- mäßig verteilt in die Schicht 13 eingebettet sind. Fig. 2 zeigt die Unteransicht des Targets 3. Die Düsen 9 sind in gleichen gegenseitigen Abständen entlang der Längsmittelachse der Targetfläche angeordnet. Sie befinden sich in einem Bereich 14 dieser Fläche, in welchem das Targetmaterial nicht oder in nur geringem Maß abgetragen wird. In einem den Bereich 14 umgebenden ovalen Bereich 15 ("raise track") hingegen findet eine starke Materialabtragung durch Beschuss positiver Ionen aus dem Prozessplasma 5 statt. In einem Randbereich 16 der Targetoberfläche wiederum ist die Materialabtragung minimal . Durch die dargestellte Anordnung der Düsen 9 wird verhindert, dass diese durch den Ionenbeschuss beschädigt oder zerstört werden, und dennoch ermöglicht, dass sich die Partikel gleichmäßig im Plasma ausbreiten.To form the layer 13, material of the target 3 is removed by the action of the process plasma 5 and reacts with the reactive gas present in the plasma 5, whereby a compound is formed, which deposits on the substrate 2 as the layer 13. Particles introduced into the plasma 5 via the nozzles 9 are likewise deposited, so that they are embedded uniformly in the layer 13. Fig. 2 shows the bottom view of the target 3. The nozzles 9 are arranged at equal mutual distances along the longitudinal center axis of the target surface. They are located in an area 14 of this area in which the target material is not or only slightly removed. In contrast, in an oval region 15 ("raise track") surrounding the region 14, there is a high removal of material by bombardment of positive ions from the process plasma 5. In turn, material removal is minimal in an edge region 16 of the target surface. The illustrated arrangement of the nozzles 9 prevents them from being damaged or destroyed by the ion bombardment and still allows the particles to spread uniformly in the plasma.
Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, dass die Partikel geladen oder elektrisch neutral in das Plasma eingebracht werden. Haben die im Vorratsbehäl- ter 6 befindlichen Partikel nicht bereits den gewünschten Ladungszustand, so müssen sie auf ihrem Weg in die Vakuumprozesskammer 1 durch die Ladungsüber- tragungseinheit, z.B. eine Elektronendusche, in diesen gebracht werden. Bestehen die Partikel aus Me- tall, dann müssen sie zumindest dann, wenn sie eine bestimmte Ladung tragen sollen, vorher mit einem isolierenden Überzug versehen werden.Depending on the application, it may make sense that the particles are charged or introduced electrically neutral in the plasma. If the particles in the storage container 6 do not already have the desired state of charge, they must, on their way into the vacuum processing chamber 1, be replaced by the charge transfer unit, e.g. an electron shower to be placed in these. If the particles are made of metal, then at least when they are to carry a certain charge, they must first be provided with an insulating coating.
Werden elektrisch neutrale Partikel in das Plasma eingebracht, so besteht nicht die Möglichkeit, sie durch ein elektrisches Feld zum Substrat hin zu beschleunigen, die Druckdifferenz zwischen der letzten Druckstufe und der Vakuumprozesskammer 1 muss dann ausreichend sein, um den Partikeln beim Eintreten in diese eine solche Geschwindigkeit zu verleihen, dass sie bis zum Substrat gelangen können. If electrically neutral particles are introduced into the plasma, there is no possibility of accelerating them through an electric field towards the substrate, the pressure difference between the last pressure stage and the vacuum process chamber 1 must then be sufficient to allow the particles to enter the latter Give speed so that they can reach the substrate.

Claims

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfungPatentansprüche BAM Federal Institute for Materials Research and TestingPatent claims
1. Verfahren zum definierten Aufbringen oder Einbetten von Nano- oder Mikropartikeln mindestens einer beliebigen Substanz auf oder in eine durch Plasmabeschichtung auf eine Substratoberfläche aufgebrachte Schicht (13) vor dem, während des oder nach dem Plasmabeschichtungsvorgang in einem Magnetron oder Plasmatron (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beliebige extern erzeugte oder modifizierte Partikel über mindestens eine Druckstufe (10) von außen in die Vakuumkammer (1) des Magnetrons oder Plasmatrons (4) räumlich verteilt in den Plasmaraum (5) zwischen Target (3) und Substrat (2) eingebracht werden. 1. A method for the defined application or embedding of nano- or microparticles of at least one arbitrary substance on or in a plasma coating applied to a substrate surface layer (13) prior to, during or after the plasma coating process in a magnetron or plasmatron (4) thereby characterized in that any externally generated or modified particles are introduced spatially distributed into the plasma chamber (5) between target (3) and substrate (2) via at least one pressure stage (10) from the outside into the vacuum chamber (1) of the magnetron or plasmatron (4) ,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in dem Plasmaraum (5) einem eine zum Substrat (2) hin gerichtete Bewegung erzeugenden elektrischen Feld ausgesetzt werden. 2. Method according to claim 1, characterized in that the particles in the plasma chamber (5) are exposed to an electric field producing a movement directed towards the substrate (2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel vor dem Einbringen in den Plasmaraum (5) elektrisch geladen werden.3. The method according to claim 2, characterized in that the particles are electrically charged prior to introduction into the plasma chamber (5).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel aus elektrisch leitendem Material vor der Aufladung mit einem Überzug aus nichtleitendem Material versehen werden.4. The method according to claim 3, characterized in that particles of electrically conductive material are provided before charging with a coating of non-conductive material.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel elektrisch neutral sind oder vor dem Einbringen in die Vakuumkammer (1) elektrisch neutralisiert werden.5. The method according to claim 1, characterized in that the particles are electrically neutral or electrically neutralized prior to introduction into the vacuum chamber (1).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel durch kleine Löcher oder Düsen (9) in den Plasmaraum6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the particles through small holes or nozzles (9) in the plasma chamber
(5) eingebracht werden.(5).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher oder Düsen (9) linienförmig oder flächig verteilt angeordnet sind. 7. The method according to claim 6, characterized in that the holes or nozzles (9) are arranged distributed linear or flat.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einen Bereich des Plasmaraums (5) eingebracht werden, in welchem nur eine geringe oder keine Abtragung des Targets (3) erfolgt. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the particles are introduced into a region of the plasma chamber (5), in which there is little or no removal of the target (3).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mit Hilfe eines Spülgases in den Plasmaraum (5) eingebracht werden.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the particles are introduced by means of a purge gas in the plasma chamber (5).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, dass als Spülgas ein gegebenenfalls ionisiertes Edelgas, vorzugsweise Argon oder ein gegebenenfalls ionisiertes Reaktivgas, vorzugsweise Sauerstoff, Stickstoff oder ein Alkan, Alken oder Alkin verwendet wird. 10. The method according to claim 9, characterized marked, that as purge gas an optionally ionized noble gas, preferably argon or an optionally ionized reactive gas, preferably oxygen, nitrogen or an alkane, alkene or alkyne is used.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Partikel impulsweise erfolgt.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the introduction of the particles takes place in pulses.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass in einer Vakuumprozesskammer (1) einander gegenüberliegend eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats (2) und eine abzutragende Oberfläche des Targets (3) vorgesehen sind und in einem von der Abtragung zumindest weitgehend ausgenommenen Bereich (14) dieser Targeto- berfläche Düsen (9) für die Injektion der Partikel möglichst gleichmäßig verteilt angeordnet sind.12. A device for carrying out the method according to one of claims 1 to 11, characterized in that in a vacuum process chamber (1) opposite one another to be coated Surface of the substrate (2) and a surface to be removed of the target (3) are provided and arranged in a possible at least largely recessed area (14) of this Targeto berfläche nozzles (9) for the injection of the particles as evenly as possible.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Transport der Partikel von einem externen Vorratsbehälter (6) zu den13. The apparatus according to claim 12, characterized in that for the transport of the particles from an external reservoir (6) to the
Düsen (9) ein an den Vorratsbehälter (6) angeschlossenes Transportrohr (7) und ein diesem nachfolgendes Rohrverzweigungssystem aus mehreren, jeweils einer der Düsen (9) zugeordneten Rohren (8) vorgesehen sind.Nozzles (9) a to the reservoir (6) connected to the transport pipe (7) and a subsequent pipe branching system of several, each one of the nozzles (9) associated with tubes (8) are provided.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (8) des Rohrverzweigungssystems jeweils durch das Magnetron oder Plasmatron (4) und das Target (3) hindurch zu der zugeordneten Düse (9) geführt sind.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the tubes (8) of the manifold system are each guided by the magnetron or plasmatron (4) and the target (3) through to the associated nozzle (9).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Transportrohr (7) nacheinander mindestens zwei als Druckstufen dienende piezoelektrisch betätigbare Ventile (10) vorgesehen sind.15. The apparatus of claim 13 or 14, characterized in that in the transport tube (7) successively at least two piezoelectric actuated valves (10) serving as pressure stages are provided.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis i-4- 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Transportrohr (7) eine Ladungsübertragungseinheit zur Aufladung ungeladener Partikel oder zur Ladungs- neutralisation geladener Partikel vorgesehen ist. 16. Device according to one of claims 13 to i-4- 15, characterized in that in the transport tube (7) is provided a charge transfer unit for charging uncharged particles or for charge neutralization of charged particles.
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